Состав связующего слоя для высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя

Состав связующего слоя для высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: акустические линии задержки , акустооптические модуляторы, акустооптическиедефлекторы, преимущественно в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн в многоканальных системах. Сущность изобретения: состав связующего слоя содержит глицерин и 15-20 мас.% водный раствор поливинилового спирта при следующем соотношении компонентов, об.%: глицерин 12,5-50; 15- 20 %-ный водный раствор поливинилового спирта 50-87,5. Состав остается жидким и обеспечивает время работоспособности при высоких частотах по меньшей мере 1000ч, кроме того обеспечивает более высокую диэлектрическую проницаемость при высоких частотах ( 500-1250 МГц), где известный состав неработоспособен. 3 табл. /

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

Г10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794878/05 (22) 26.02.90 (46) 15.05.92. Бюл. N 18 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) О.Б.Гусев, А.А.Кораблева, В.А.Кораблев.

А.Д.Овчарова и Е.Н.Попович (53) 678.744.72 (088.8) (56) Гусев О,Б., Кулаков С.В., Разживин Б.П„

Тигин Д.В. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени, М,; Радио и связь, 1989, с.135.

Морозов А.И., Проклов B.В., Станковский В.А. Пьезоэлектрические преобразователи для радиоэлектронных устройств.

М,; Радио и связь, 1981. 183 с, Гусев О.Б. Параметры электрической эквивалентной схемы нагруженных пьезопреобраэователей обьемных волн без верхнего электрода с учетом контактной емкости возбуждающей системы. Сб, Акустооптические устройства обработки сигналов. Под ред. Кулакова С.В. Л.: ЛЗТИ. 1977. с.33 — 37.

Изобретение относится к составу связующего слоя и может быть использовано в акустоэлектронике и акустооптике при изготовлении акустических линий задержки. акустооптических модуляторов, акустоопти- . ческих дефлекторов, преимущественно в дипазонах дециметровых и сантиметровых волн в многоканальных системах, Одним из важнейших узлов указанных устройств является пьезоэлектрический преобразователь, осуществляющий преобразование электромагнитного сигнала в акустические волны, В общем виде пьезоэлектрический преобразователь состоит из узла возбуждения, включающего элементы согласующей цепи!

Ж „„1733444 А1 (54) СОСТАВ СВЯЗУЮЩЕГО СЛОЯ ДЛЯ

ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (57) Использование: акустические линии задержки. акустооптические модуляторы, акустооптические дефлекторы, преимущественно в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн в многоканальных системах. Сущность изобретения: состав связующего слоя содержит глицерин и 15-20 мас,% водный раствор поливинилового спирта при следующем соотношении компонентов, об. : глицерин 12,5-50; 15—

20 %-ный водный раствор поливинилового спирта 50 — 87,5. Состав остается жидким и обеспечивает время работоспособности при высоких частотах по меньшей мере

1000 ч, кроме того обеспечивает более высокую диэлектрическую проницаемость при высоких частотах (> 500 — 1250 МГц), где известный состав неработоспособен. 3 табл. и элементы подвода электрического сигнала к пьезопреобразователю, а также акустооптического узла, включающего звукопровод, соединенный с пьезоэлементом.

Важной задачей при разработке и изготовлении пьезопреобразователя является выбор и изготовление связующего слоя с заданными электрическими и физико-техническими характеристиками для соединения отдельных конструктивных элементов и узлов. например звукопровода с пьезоэлементом. пьезоэлемента с элементами (электродами) узла возбуждения. Связующие слои играютгпределяющую роль в формировании технических характеристик акустооптических и акустоэлектронных уст1733444 ройств, поскольку являются основными источниками диссипативных потерь при передаче энергии от узла возбуждения к пьезоэлементу, Величина потерь электромагнитной энергии в значительной степени определяется контактной емкостью, образующейся при соединении пьезоэлемента с электродами узла возбуждения. Для уменьшения влияния связующего слоя, а следовательно, и контактной емкости на характеристики пьезоэлектрического преобразователя диэлектрическая и роницаемость связующего слоя должна быть как можно больше или по крайней мере не меньше диэлектрической проницаемости материала пьезоэлемента в соответствующем частотном диапазоне работы пьезопреобразователя.

Кроме того, слой должен обладать хорошими связующими свойствами, которые не должны меняться в процессе эксплуатации пьезопреобразователя.

В настоящее время проблема выбора связующего слоя для соединения пьезоэлектрического преобразователя с узлом возбуждения в акустооптике достаточно актуальна, так как на современном этапе активно осваивается дециметровый диапазон, в котором в значительной степени проявляются частотные факторы различной физической природы, приводящие к диссипации энергии. Кроме того, анализ развития акустооптических и акустоэлектронных устройств показывает, что основные перспективы применения подобных устройств связаны с микроминиатюризацией и многоканальностью, а также возможностью использования пьезоэлементов сложной формы. Все это требует создания такого связующего слоя, который обладал бы высокими электрическими характеристиками, был бы жидким и мог бы заполнять контактный промежуток, а также микротрещины и расколы в пьезоэлементе, Известен связующий слой на основе диэлектрической пленки (наносимый с помощью вакуумной технологии), например, на основе Si02, Недостатки этого связующего слоя в основном связаны с технологией напыления, в частности, с необходимостью использования дорогостоящего вакуумного оборудования, строгого соблюдения режимов технологических операций, выбора материалов с одинакîBûMè или близкими коэффициентами ликейного расширения, Кроме того, существуют технические препятствия для нанесения однородной пленки на криволинейные поверхности пьезоэлементов, указанные недостатки, а также невысокое качество пленки (пористость. неоднородность, сравнительно низкие значения диэлектрической проницаемости) не позволяют использовать их при изготовлении высокочастотных акустозлектронных

5 пьезопреобразователей, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является состав связующего слоя на основе глицерина, Сборку пьезоэлектрического преобразователя со

10 связующим слоем производят таким образом; на поверхность пьезоэлемента наносят слой глицерина, затем устанавливают электроды узла возбуждения соответственно с пьезоэлементом, прижимают и фиксируют

15 это положение с помощью прижимных винтов. В результате глицерин заполняет контактный промежуток и значительно увеличивает контактную емкость. Связующий слой на основе глицерина не требует

20 сложного оборудования для нанесения его на поверхность, Кроме того, глицерин в отличие от пленки 3102 жидкий и заполняет контактный промежуток и имеет значительно большую величину диэлектрической про25 ницаемости яде = 43,яз.о = 10), которая практически не изменяется до частоты

500 МГц, и остается близкой по величине к диэлектрической проницаемости наиболее распространенных материалов для пьезоэ30 лементов, таких как ЫЙВОз, ЫТаОз, BazNaNB601s, BiGe02o, у которых е близка к

40, В связи с этим величина контактной емкости связующего слоя велика, и потери энергии в нем малы, что косвенно подтверждается характеристиками пьезоэлектрического преобразователя.

Основным недостатком глицерина в качестве связующего слоя является уменьшение диэлектрической проницаемости с увеличением частоты приложенного напряжения, что связано с ниличием дипольно-релаксационной поляризации. Проведенные исследования показывают, что на частотах

cBblLU8 500 МГц глицерин имеет диэлектрическую проницаемость порядка 10, что более чем в четыре раза меньше диэлектрической проницаемости применяемых пьезоматериалов, Кроме того, глицерин не является химическими нейтральным по отношению к электродам узла возбуждения и пьезоэлектрического преобразователя и с течением времени образует продукты взаимодействия с ними (глицераты), более того, глицерин обладает значительной гидрофильностью, которая приводит к образованию пленки влаги на контактируемых поверхностях и протеканию электрохимической коррозии. В результате изменяются во

1733444 времени электрические и физические свойства связующего слоя и металлических слоев, которые являются элементами акустической и электрической связи между пьезоэлементом и звукопроводом. Это приводит к ухудшению технических характеристик акустооптических и акустоэлектронных устройств, и в конечном счете выходу их из строя. Таким образом, снижение надежности изготовленного устройства с использованием глицерина в качестве связующего слоя является серьезным препятствием к его применению не только в промышленности, но и в лабораторных условиях.

Целью изобретения является увеличение времени работоспособности состава и повышение его диэлектрической проницаемости.

Указанная цель достигается тем, что состав связующего слоя для высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя, включающий глицерин, дополнительно содержит 15 — 20 мас. /-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС) в соотношении компонентов, об./ : 15 — 20 -ный водный раствор ПВС 50 — 87,5; глицерин

50 — 12.5.

Предлагаемый состав связующего слоя обеспечивает жидкую фазу слоя в конкретной разработке пьезоэлектрического преобразователя и гарантированное время эксплуатации, Особо важным свойством предлагаемого состава является величина диэлектрической проницаемости, превышающая значения диэлектрической проницаемости компонентов, его составляющих. Таким образом, предлагаемый состав связующего слоя не является обычной механической смесью известных компонентов, Определение пределов концентрации

ПВС в растворе зависит от величины диэлектрической проницаемости, Определение проводят на частоте 100 Гц, Характер этой зависимости таков, что повышение концентрации ПВС приводит к росту диэлектрической проницаемости, 20 — 35 для концентрации 10 — 20 /, верхний предел—

20 мас. ПВС, Это объясняется тем, что растворы, содержащие более 20 /, П В С очень вязки (более 1200 сСт), быстро загустевают на поверхности, не могут быть равномерно нанесены на поверхность пьезоэлемента и заполнить контактный промежуток. Нижний предел концентрации

ПВС выбран из следующих соображений: при концентрации менее 10/ значение диэлектрической проницаемости менее 8< 15. кроме того, вязкость раствора (менее

400 сСт) низка, При нанесении таких растворов на пьезоэлемент происходит вытекание раствора из контактного промежутка и образование воздушных "раковин". Таким образом, наиболее оптимальными являются

5 10 — 20 мас. -ные водные растворы ПВС.

Пример 1. Исследовано влияние различных соотношений компонентов в составе связующего слоя на величину диэлектрической проницаемости на частоте

10 1000 Гц (см.табл, 1).

Анализ этих данных показывает, что связующий слой на основе глицерина с дополнительным содержанием 10 — 30 мас, / водного раствора ПВС в соотношении ком15 понентов, об. : 10 — 30 мас./-ный водный раствор ПВС 50 — 97,5, глицерин 10,1 — 50,0, имеет диэлектрическую проницаемость, превышающую диэлектрическую проницаемость глицерина (я = 43) на частоте 1000 Гц.

20 Пример 2, Исследованы частотные зависимости диэлектрической проницаемости связующего слоя на основе глицерина с дополнительным содержанием 10 — 30 мас. водного раствора ПВС в соотношениях 1+8

25 об, на 1 об. глицерина. Результаты представлены в табл. 2, Для сравнения частотная зависимость глицерина (прототипа) снижается с я = 43 до я = 10 в диапазоне

0 — 1000 МГц, Анализ этих данных показыва30 ет, что использование связующего слоя на основе глицерина для пьезопреобразователей, выполненных из монокристаллов

LiNBOs, ЫТаОз и др. (диэлектрическая проницаемость которых превышает e 40), яв35 ляется неэффективным на частотах выше

250 М Гц, так как снижение диэлектрической проницаемости связующего слоя приводит к перераспределению энергии в системе узел электрического возбуждения — и ьезоэ"

40 лемент на границе двух сред с различной диэлектрической проницаемостью. В результате сигнал почти полностью "приложен" к слою с меньшей диэлектрической проницаемостью, т.е. к глицерину, и не "до45 ходит" до пьезоэлемента. Анализ частотных зависимостей диэлектрической проницаемости исследуемого состава показывает, что их характер не отличается от прототипа.

Однако при концентрациях водного раство50 ра ПВС 15 — 20 мас, /, и соотношениях компонентов, об. ; 15 — 20 мас. /-ный водный раствор ПВС 66,7 — 85,7, глицерин 14,3 — 33,3, диэлектрическая проницаемость связующего слоя на высоких частотах (500 — 1250 мГц)

55 не снижается ниже, чем значение диэлектрической проницаемости глицерина на низкой частоте (100 Гц), а зачастую гораздо выше, Исходя из результатов, выбраны количественные характеристики состава свя1733444

40

55 зующего слоя, а именно: 15 — 20 мас,%-ный водный раствор ПВС 50 — 87,5, глицерин 50—

12,5, Пример 3, Исследовано качество соединения деталей узла электрического возбуждения с высокочастотным пьезопреобразователем на основании сравнения технических характеристик двух каналов многоканального акустооптического модулятора (АОМ) и проверки их временной стабильности. В качестве пьезоэлемента испытывался ниобат лития (ЫИВозЧ+36 ), в звукопроводе (ЫКВОзЧ+245 ), измерения проводились на контрольной частоте рабочего диапазона f< = 1000 MÃö. Испытания включали сравнение основных технических характеристик AOM {электрооптическая эффективность — 3; ширина полосы рабочих частот по уровню Зд д Л f; максимальный коэффициент стоячей волны (КСВ) в полосе рабочих частот — K«U ") и проверки стабильности во времени этих характеристик двух каналов пятиканального АОМ, причем один из каналов соединен с деталями узла электрического возбуждения путем нанесения на поверхность пьезоэлемента связующего слоя на основе глицерина., а другой соединен с деталями узла электрического возбуждения путем нанесения на поверхность пьезоэлемента связующего слоя, в состав которого входит 18 мас.% водного раствора ПВС и глицерин, взятые в соотношении компонентов в объемных %. Измерение амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), а также измерение электрооптической эффективности КСВ производились по известной методике, Результаты испытаний приведены в табл, 3.

Испытания показали следующее, Глицерин, являясь вязкой маслянистой жидкостью, плохо смачивает поверхность металлических электродов узла электрического возбуждения и пьезоэлементов, не растекаются по поверхности, что затрудняет равномерное распределение связующего слоя по всей поверхности; у предлагаемого состава связующего слоя вязкость находится в пределах 400 — 1200 сСт, что позволяет наносить связующий слой более равномерно. Это обстоятельство, а также разница в значениях диэлектрической проницаемости в диапазоне рабочих частот прототипа и состава, содержащего 10 мас,%-ный водный раствор ПВС и глицерин в соотношениях

3:1, приводит к более высоким параметрам изготовленных устройств с использованием предложенного состава, Время наработки на отказ у АОМ, изготовленного с применением в качестве связующего слоя глицерина, составило 400 ч.

После разборки AOM обнаружено отслоение пьезоэлемента от звукопровода. Это объясняется тем, что глицерин не является химически нейтральным по отношению к электродам узла. электрического возбуждения и высокочастотного пьезоэлектрического преобразователя и с течением времени образует продукты взаимодействия с ними (глицераты). Кроме того, глицерин обладает значительной гидрофильностью, которая приводит к образованию пленки влаги на контактируемых поверхностях и пратеканию электрохимической коррозии. Время нормальной эксплуатации АОМ с применением связующего слоя, состоящего из глицерина с дополнительным содержанием

18% мас. водного раствора ПВС в соотношении компонентов, об,%; 18 мас.%-ный водный раствор ПВС 75; глицерин 25, составляет не менее 1000 ч, Таким образом, техническим преимуществом предложенного состава связующего слоя является улучшение качества соединения при изготовлении акустооптических и акустоэлектронных устройств за счет увеличения времени работоспособности, В диапазоне высоких частот {> 500 — 1250

М Гц) диэл гктрическая проницаемость состава намного превышает е для глицерина д= (30 — 60 — для данного состава и e = 10 для глицерина), Б области частот до 500 МГц E либо на уровне глицерина, либо выше, Превышение значений диэлектрической проницаемости > 43 в диапазоне до 500 МГц (по целому ряду частот) также представляет интерес.

Формула изобретения

Состав связуюшего слоя для высокочастотного пьезсэлектрического преобразователя, включающий глицерин, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения времени работоспособности состава и повышения ег0 динамической проницаемости в области высоких частот, состав дополнительно содержит 15 — 20 %-ный водный раствор погивинилового спирта при следующем соотношении компонентов, об %

15 — 20%-ный водный раствор поливинилового спирта 50,0-87,5

Глицерин 50,0 — 12,5

1733444

Табл.ица 1

Таблица 2

Конц, Содержание, об.% ическая и они аемость и и частоте, МГ излект

ПВС, мас.%

1250

1000

500

250

ПВС

750

100 глицерин

20

33,3

25,0

20,0

16,7

14,3

12,5

11,1

33,3

25,0

20,0

16,7

14,3

12,5

1 1,1.

50,0

33,3

25,0

20,0

16,7

14,3

12,5

11,1

50,0

33,3

25,0

20,0

16,7

14,3

12,5

11,1

66,7

75,0

80,0

83,3

85,7

87,5

88,9

66,7

75,0

80,0

83,3

85,7

87,5

88,9

50,0

66,7

75,0

80,0

83,3

85,7

87,5

88,9

50,0

66,7

75,0

80,0

83,3

86,7

87,5

88,9

42

48

51

49

46

38

36

68

56

42

58

78

74

64

52

48

43

52

56

48

46

42

38

46

48

46

32

28

48

56

64

64

52

47

51

74

6S

66

56

49

46

38

48

52

46

48

38

26

24

42

46

47

32

46

63

48

44

32

42

46

44

34

28

32

34

32

26

18

18

36

44

52

52

42

42

36

26

53

56

54

52.

44

38

32

28

36

40 .40

32

26

24

28

24

16

12

27

46

41

38

46

48

47

43

24

24

26

38

37

24

26

18

21

18

16

12

8 . 20

39

44

44

24

16

36

44

46

43

43

42

18

22

34

34

18

16

12 аз 3444

Таблица 3

000

100

3,5

500

500

2,0

2.0

25

Редактор О, Спесивых

Заказ 1638 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

173035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

12

400

Составитель Г. Овчинникова

Техред M.Моргентал Корректор Н, Король

0.6

400